background image

Wprowadzenie do równań dynamiki maszyn asynchronicznych: 

 

Zgodnie z zasadami transformacji układu trójfazowego do zastępczego układu 

dwufazowego, o właściwościach maszyny decydują równania strumieniowo-prądowe. 
Dla maszyny asynchronicznej przy stosowaniu założeń upraszczających 
uwzględniających jedynie pierwszą harmoniczną pola magnetycznego w szczelinie 
powietrznej i idealnej symetrii maszyny, równania te w układzie współrzędnych 
naturalnych mają postać: 

]

[

]

[

]

][

[

]

][

[

]

[

]

][

[

]

][

[

]

][

[

]

[

s

T

sr

r

rr

r

r

r

r

sr

s

ss

s

s

s

i

M

i

M

i

L

i

M

i

M

i

L

+

+

=

+

+

=

σ

σ

ψ

ψ

 

gdzie poszczególne macierze mają postać: 

=

1

0

0

0

1

0

0

0

1

]

[

s

s

L

L

σ

σ

 

- macierz indukcyjności związanych ze strumieniem rozproszenia stojana 

°

°

°

°

°

°

=

1

240

cos

120

cos

120

cos

1

240

cos

240

cos

120

cos

1

]

[

ss

ss

M

M

 

=

1

2

1

2

1

2

1

1

2

1

2

1

2

1

1

]

[

ss

ss

M

M

 

-macierz indukcyjności związanych ze strumieniem głównym w obrębie stojana.  

Po transformacji polegającej na lewostronnym mnożeniu równań przez 

macierz transformacji uzyskamy (niezależnie od przyjętych współczynników 
w macierzach transformacyjnych) równania w postaci: 

]

][

[

]

[

]

][

[

]

][

[

]

][

][

[

]

][

[

]

][

][

[

]

][

[

]

][

[

]

][

][

[

]

][

[

]

][

][

[

]

][

[

]

][

][

[

]

][

[

1

1

1

1

1

1

s

T

sr

r

rr

r

r

r

r

sr

s

ss

s

s

s

i

s

s

M

s

i

s

s

M

s

i

s

s

L

s

s

i

s

s

M

s

i

s

s

M

s

i

s

s

L

s

s

+

+

=

+

+

=

σ

σ

ψ

ψ

 

Co sprowadza się do transformacji wartości poszczególnych macierzy 

indukcyjności: 

-1- 

background image

1

]

][

][

[

]

[

=

s

L

s

L

αβ

 

Macierz diagonalna nie zmienia swojej postaci, natomiast macierz 

indukcyjności wzajemnych po transformacji uzyska postać: 

=

0

0

0

0

1

0

0

0

1

2

3

]

[

0

ss

M

M

ss

αβ

 

Macierz indukcyjności wzajemnych stojan-wirnik zależy od liczby faz wirnika. 

Można udowodnić,  że każde symetryczne uzwojenie wielofazowe, przy 
uwzględnieniu jedynie podstawowej harmonicznej pola, można przedstawić w postaci 
równoważnego układu dwufazowego. Dla wirnika klatkowego jako liczbę faz 
przyjmuje się liczbę prętów klatki wirnika. Dla uproszczenia analizy przyjmijmy, że 
liczba faz wirnika jest równa liczbie faz stojana (silnik pierścieniowy). Przy takich 
założeniach macierze indukcyjności wirnika mają postać identyczną jak w stojanie: 

=

1

0

0

0

1

0

0

0

1

]

[

r

r

L

L

σ

σ

 

- macierz indukcyjności związanych ze strumieniem rozproszenia wirnika 

=

1

2

1

2

1

2

1

1

2

1

2

1

2

1

1

]

[

rr

rr

M

M

 

- Macierz indukcyjności związanych ze strumieniem głównym w obrębie wirnika 

Po transformacji otrzymamy podobnie jak dla stojana: 

=

0

0

0

0

1

0

0

0

1

2

3

]

[

0

rr

rr

M

M

αβ

 

Macierz indukcyjności wzajemnych stojan-wirnik ma postać zależną od kąta 

pomiędzy uzwojeniem stojana i wirnika: 

°

+

°

+

°

+

°

+

°

+

°

+

=

α

α

α

α

α

α

α

α

α

cos

)

240

cos(

)

120

cos(

)

120

cos(

cos

)

240

cos(

)

240

cos(

)

120

cos(

cos

]

[

sr

sr

M

M

 

-2- 

background image

Zastosowanie transformacji opisanej wyżej dla równań opisujących maszynę 

indukcyjną prowadzi do diagonalizacji macierzy indukcyjności własnych w stojanie i 
wirniku. Macierz indukcyjności wzajemnych stojan-wirnik przyjmuje po transformacji 
postać: 

=

0

0

0

0

cos

sin

0

sin

cos

2

3

]

[

0

α

α

α

α

αβ

sr

M

M

sr

 

Uzwojenie wirnika i stojana różnią się liczbą zwojów, liczbą faz (w silniku 

klatkowym liczba faz jest równa liczbie prętów wirnika) oraz sposobem rozłożenia 
uzwojeń w przestrzeni. Efekt rozłożenia uzwojeń w przestrzeni uwzględnia się 
poprzez stosowanie współczynników uzwojenia. Stąd wygodnie jest przekształcić 
równania wirnika w taki sposób, aby wielkości występujące w równiach stojana i 
wirnika były porównywalne. Zwykle operacje taką przeprowadza się, podobnie jak w 
transformatorach, przez zastosowanie przekładni prądowej i napięciowej: 

s

s

r

r

s

r

i

k

z

k

z

m

m

=

ϑ

               

r

r

s

s

u

k

z

k

z

=

ϑ

 

Przyjęcie takich wartości przekładni prądowej wynika z dostosowania 

przepływu wirnika do przepływu stojana, natomiast przekładni napięciowej wynika z 
wyrównania sił elektromagnetycznych fazowych wirnika do fazy stojana. Równania w 
jednej fazie wirnika można wówczas przedstawić jako: 

dt

d

i

R

u

u

r

r

i

i

u

r

u

r

ϑ

ψ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

+

=

 

Wielkości wirnika należy przeliczać wg zależności: 

u

r

r

u

u

ϑ

=

'

 

i

r

r

i

i

ϑ

=

'

 

2

'

)

(

r

r

s

s

r

s

i

u

r

r

k

z

k

z

m

m

R

R

=

=

ϑ

ϑ

 

2

'

)

(

r

r

s

s

r

s

i

u

r

r

k

z

k

z

m

m

L

L

=

=

ϑ

ϑ

 

Biorąc pod uwagę definicje współczynnika indukcyjności wzajemnej M

sr

 można 

wykazać, że: 

-3- 

background image

sr

u

ss

M

M

ϑ

=

          

rr

i

u

ss

M

M

ϑ

ϑ

=

 

Wygodnie jest, po przeliczeniu wielkości strony wirnika na stronę stojana, 

oznaczyć wielkości występujące w równaniach jako: 

ss

M

L

2

3

=

µ

 

µ

σ

L

L

L

s

s

+

=

 

µ

σ

L

L

L

r

r

+

=

'

'

 

Po wykonaniu takich podstawień otrzymamy równania opisujące zastępczy 

silnik posiadający dwa uzwojenia w stojanie i dwa w wirniku. 

Uzwojenia zastępczej (równoważnej) maszyny dwufazowej można 

przedstawić w postaci: 

 

Równania maszyny (przy pominięciu składowej zerowej) mają postać: 

dt

d

i

R

u

dt

d

i

R

u

dt

d

i

R

u

dt

d

i

R

u

r

r

r

r

r

r

r

r

s

s

s

s

s

s

s

s

'

'

'

'

'

'

'

'

  

          

 

          

β

β

β

α

α

α

ψ

ψ

ψ

ψ

β

β

β

α

α

α

+

=

+

=

+

=

+

=

 

W dalszych równaniach dla uproszczenia opuścimy znak ‘ oznaczający 

zastosowanie przekładni prądowej i napięciowej maszyny. Zależności strumieniowo-
prądowe przyjmują postać: 

-4- 

background image

α

α

ψ

α

α

ψ

α

α

ψ

α

α

ψ

β

µ

α

µ

β

β

β

µ

α

µ

α

α

β

µ

α

µ

β

β

β

µ

α

µ

α

α

cos

sin

sin

cos

cos

sin

sin

cos

s

s

r

r

r

s

s

r

r

r

r

r

s

s

s

r

r

s

s

s

i

L

i

L

i

L

i

L

i

L

i

L

i

L

i

L

i

L

i

L

i

L

i

L

+

=

+

+

=

+

+

=

+

=

 

Po pomnożeniu równań z indeksem 

β przez j i dodaniu stronami odpowiednich 

równań otrzymamy: 

)

(

sin

)

(

cos

)

(

)

(

sin

)

(

cos

)

(

β

α

µ

β

α

µ

β

α

β

α

β

α

µ

β

α

µ

β

α

β

α

α

α

ψ

ψ

α

α

ψ

ψ

s

s

s

s

r

r

r

r

r

r

r

r

r

s

s

s

s

s

ji

i

jL

ji

i

L

ji

i

L

j

ji

i

jL

ji

i

L

ji

i

L

j

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

+

+

=

+

 

Otrzymamy opis równań strumieniowo-prądowych w postaci zespolonej: 

α

µ

α

µ

ψ

ψ

j

s

r

r

r

j

r

s

s

s

e

i

L

i

L

e

i

L

i

L

+

=

+

=

 

Pomnożenie równań wirnika przez wielkość  e

j

α

 jest równoznaczne 

z transformacją równań opisujących wirnik do układu stacjonarnego, otrzymamy: 

s

r

s

s

s

i

L

i

L

i

L

i

L

r

r

r

µ

µ

ψ

ψ

+

=

+

=

'

'

'

     

              

α

α

ψ

ψ

j

j

r

e

e

i

i

r

r

r

=

=

'

'

 

Oraz: 

 

dt

d

e

i

e

R

e

u

dt

d

i

R

u

r

r

r

j

j

r

j

s

s

s

s

ψ

ψ

α

α

α

+

=

+

=

 

 

'

'

dt

d

e

i

R

u

r

r

r

j

r

ψ

α

+

=

 

-5- 

background image

dt

de

dt

d

e

dt

e

d

dt

d

j

j

j

r

r

r

r

α

α

α

ψ

ψ

ψ

ψ

+

=

=

 

)

(

'

 

dt

d

je

dt

d

e

dt

d

j

j

r

r

r

α

ψ

ψ

ψ

α

α

+

=

 

'

 

'

'

 

r

r

r

dt

d

j

dt

d

dt

d

e

j

ψ

α

ψ

ψ

α

=

 

Równana maszyny asynchronicznej przyjmują postać: 

s

r

s

s

s

i

L

i

L

i

L

i

L

r

r

r

µ

µ

ψ

ψ

+

=

+

=

'

'

'

     

 

u

R i

d

dt

u

R i

d

dt

s

s s

s

r

r

r

r

r

=

+

=

+

ψ

ψ

α ψ

'

'

'

'

  - j

d

dt

 

 

Wzór na moment elektromagnetyczny uzyskamy po analizie następujących 

zależności: 

u i

R i i

d

dt

i

u i

R i i

d

dt

i

i

s

s s

s

r r

r r r

r

r r

s

s

s

r

*

*

*

' *

' *

'

' *

'

' *

=

+

=

+

ψ

ψ

α ψ

  - j

d

dt

 

Występujące w równaniach wielkości to:  

-6- 

background image

a

mechaniczn

 

moc

 

}

dt

d

Re{-j

ego

magnetyczn

 

pola

 

moc

}

Re{

h wirniku

uzwojaniac

 

mocy w

straty 

nika

obwodu wir

 

do

 

a

dostarczon

  

moc

}

Re{

ego

magnetyczn

 

pola

 

moc

}

Re{

stojana

uzwojeniac

 

mocy w

straty 

stojana

obwodu 

 

do

 

a

dostarczon

  

moc

}

Re{

'*

'

'*

'

*

'*

*

*

*

r

r

r

r

r

r

s

s

s

s

i

i

dt

d

i

i

R

i

u

i

dt

d

i

i

R

i

u

r

r

r

s

s

s

ψ

α

ψ

ψ

 

 
Moment mechaniczny jest zatem równy: 

m

'

'*

'*

'

'*

'

m

m

e

}

Im{

}

Im{

   

dt

d

}

dt

d

Im{-

p

=

P

=

M

ω

ω

ψ

ψ

ω

α

ψ

α

ω

ω

p

i

p

M

i

p

M

i

r

r

e

r

r

e

r

r

=

=

=

=

 

Jako, że: 

*

'*

'*

s

r

r

r

i

L

i

L

µ

ψ

+

=

 

 
 

-7- 

background image

Otrzymamy: 

}

Im{

}

Im{

'

*

'

'*

r

s

r

r

r

e

i

i

pL

i

i

L

p

M

µ

=

=

 

Bardzo często operujemy wielkością strumienia wypadkowego wynikającego z 

wypadkowego prądu magnesującego: 

r

s

i

i

i

+

=

µ

 

}

Im{

}

Im{

*

*

*

µ

µ

µ

µ

i

i

pL

i

i

i

i

pL

M

s

s

s

s

e

=

+

=

 

}

Im{

}

Im{

*

*

µ

µ

µ

ψ

s

s

e

i

p

i

L

i

p

M

=

=

 

Wyprowadzone równania należy uzupełnić równaniem dynamiki masy wirującej: 

d

dt

J

M

M

m

e

ω

=

1

0

(

)

 

 

Równania wyprowadzono przy zastosowaniu transformacji zachowującej moc, 

tzn: 

[ ]

=

2

1

2

1

2

1

2

3

2

3

0

2

1

2

1

1

3

2

S

 

Przy stosowaniu macierzy: 

[ ]

=

2

1

2

1

2

1

2

3

2

3

0

2

1

2

1

1

3

2

S

 

Wzór na moment ma wartość zaniżoną, stąd: 

}

Im{

2

3

 

'*

'

r

r

i

p

M

ψ

=

 

-8- 

background image

Uwaga!!! 
 
 Dostępne są programy symulacyjne dynamiki maszyn asynchronicznych: 

ASYNCH.EXE – zasilanie sinusoidalne 

ASYNCH_PWM.EXE – zasilanie z falownika napięcia sterowanego metodą 
modulacji szerokości impulsów (PWM) 

 
 

W obu programach dostępne są wielkości w różnych układach odniesienia: 

ABC – układ trójfazowy 

alfa, beta – układ stacjonarny 

xy – układ wirujący z prędkością synchroniczną 

dq – układ związany z wirnikiem, wirujący z prędkością wirowania wirnika 

 

Wartość napięcia U określa wartość skuteczną napięcia fazowego, natomiast 

w przypadku zasilania z falownika PWM jest to wartość napięcia stałego zasilającego 
falownik. Wielkości oznaczone przyrostkiem _i są to wielkości orientowane względem 
wektora prądu stojana, _psi – wektora strumienia stojana.  

W przypadku zasilania z falownika oprócz częstotliwości napięcia wyjściowego 

podawana jest  wartość częstotliwości modulacji oraz współczynnik gamma 
określający wartość względną  napięcia sterującego. Tym współczynnikiem możemy 
zmieniać wartość amplitudy pierwszej harmonicznej napięcia wyjściowego 
z falownika. 

 
W programach przyjęto  transformację w postaci: 
 

[ ]

=

2

1

2

1

2

1

2

3

2

3

0

2

1

2

1

1

3

2

S

 

 

 
 

-9-